CN100355409C - 体温控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种体温控制装置。它的加温对象是动物和人体等生物。本发明能有效地加温控制动物或人体这些能够自律调节体温，从而使热传导率产生变化的生物的整个身体内部的体温。本发明通过发热装置直接或通过媒介间接地对加温对象进行加温，将加温对象的表面或内部加温到所指定的温度，或者使其维持一定温度，该装置是由加温用的发热装置、检测温度的温度测量仪器、对被测温度进行快速傅里叶变换(FFT)处理的分析仪器、发热装置的热量或调节温度的控制仪器，对加热对象周围进行排气的风扇组成。该装置设置了发热装置1a～e能覆盖人体颈部以下的全身，在各个部位设置了几个风扇2a～f对内部进行换气。

Description

体温控制装置

技术领域

本发明涉及一种体温控制装置。它的加温对象是动物和人体等生物。本发明能有效地加温控制动物或人体这些能够自律调节体温，从而使热传导率产生变化的生物的整个身体内部的体温。

背景技术

一直以来就有“癌症怕热”这一学说，因此使用对人体施加高热，加温癌细胞的温热疗法来进行治疗。有用微波直接照射癌细胞的局部温热疗法和使人体的体温深处整体上升的全身温热疗法两种。局部温热对已经转移的癌症效果较差，因此现在研究较多的是针对进行性癌的全身温热疗法。直肠温度是体现整体体温的标志，而这一疗法能将直肠温度上升到42℃ 。

全身温热疗法对转移迅速的进行性癌也具有效果。对很多癌症患者来说它已成为值得期待的治疗方法之一。另外，在最近的研究中发现，体温上升带来的全身性反应能够发现各种细胞增殖因子和热休克蛋白基因。研究表明，这一疗法不仅对癌症有治疗作用，也能应用于C型肝炎和艾滋病等病毒性疾病的治疗。

用于使整体体温上升的加温装置有几种。自古以来就有将身体浸入装满温水的浴缸，通过提高水温使人体的体温上升的温水加温装置。也有将人体的血液放到体外使之循环，加温后再将它放回体内的体外循环加温装置。还有一种是，将身体平躺，周围用舱盖住，内部设有碳纤维、陶瓷加热器、卤素加热器等辐射红外线的发热装置进行加温的红外线加温方法装置。红外线加温装置中，特别是发热装置使用远红外线加热器，通过远红外线加热器使体温整体上升的远红外线全身加温装置，它作为癌症的治疗用途，一直以来都被用于临床和研究。

从这些技术中得到启示，本发明需解决下述课题：

人体通过出汗，呼吸变得急促，血管扩张收缩等人体体温调节维持功能，对应外部的环境自律地进行散热或蓄热，以保持一定的深部温度。为此，表面的皮肤温度上升较容易，而整个身体内部，特别是让深部的体温上升到42℃是极其困难的。

在几种加温装置中，温水加温装置是1970年代在德国被研发出来的。但是因为温水热传递效率高，具有传热量过于增大的倾向，对人体产生的负担大，因此，为了抑制心搏数的上升和热的感觉需要做深度的全身麻醉。近年来的研究表明，这种方法对白血球的伤害很大，所以现在已不用于癌症的临床治疗。

让血液在体外循环并加温，然后再让它回到体内使体温上升的体外循环加温装置，十几年前在日本的东京女子医科大学首次被用于全身温热疗法的治疗。在1990年进行的调查中167例中有改善和轻度改善的约占40％，病情恶化的有21％。这个调查确实表明这一装置能使体温上升，对癌症治疗有效果。但是，同时也伴随着让血液在体外流动这种极大的危险。对患者的肉体产生的负担以及被感染的危险性大。因此有时无法再继续治疗。无法作为一种普通的治疗装置被普及。

近年来，人们正在对红外线加温装置进行研究。它是一种将人体平躺在床上，周围用树脂或金属罩盖住，内部设置了陶瓷加热器和面状远红外线加热器等发热装置，加温全身的装置。因为是不见血的治疗方法，所以不太有感染的威胁，热能的调节也比温水以及体外循环等方法要简单且安全。因此多用于临床。近年来，在让患者服用抗癌剂的同时，使用该装置通过超过40℃的高温进行治疗，获得了不错的疗效。人们正尝试着这种较为温柔的加温治疗方法。

在这种使用红外线加温装置的实际治疗中，通过使用麻醉抑制人体的体温调节功能。医生一边监视着患者各部位的体温、心脏搏动数、血压等生命体信息，根据不同时候的身体状况手动调节发热装置的热量，使深部温度上升。不过，在麻醉下对高体温的控制和管理需要熟练的医疗技术。虽说是一种温柔的治疗方法，但是，毕竟是在身上加入强热量，使得深部温度上升到40℃ ，一旦在操作上失误就会造成皮下烧伤的危险。所以，红外线加温装置虽然对全身温热疗法的普及有用，但是很大意义上还是取决于医生的技术。因此，从现状来看，这种装置还没有一个更为安全、简便的标准化的使用方法。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述缺陷，提供一种体温控制装置，及该装置的使用方法，用于解决上述课题。

本发明用于人体或动物的加温，通过发热装置直接或通过媒介间接地对加温对象进行加温，将加温对象的表面或内部加温到所指定的温度，或者使其维持一定温度，该装置是由加温用的发热装置、检测温度的温度测量仪器、对被测温度进行快速傅里叶变换(FFT)处理的分析仪器、发热装置的热量或调节温度的控制仪器，对加热对象周围进行排气的风扇组成。

将人体或动物平躺在床上，只露出头部，用纤维增强的塑料(FRP)等树脂材料制作的舱将颈部以下的身体一周全部密封覆盖住，同时设置多个排气用风扇和给头部送风的风扇。内部设置多个平面状的远红外线加热器、陶瓷加热器等发热装置，通过热敏电阻等温度传感器，检测出胸部、腹部、鼠蹊部等皮肤温度和直肠、食道、鼓膜等人体的深部温度。还可检测出发热装置的表面温度和身体表面周围的气温。同时亦可检测心脏搏动数、血压、血中含氧浓度、呼吸次数等生命体信息。

加温前，通过FFT分析方法的处理，求得皮肤温度和深部温度变化中的频率，即一周期所需的时间，定为由人体的恒常性维持功能决定的自律性体温调节的特异周期。然后，在与皮肤温度同周期、同相位的状态下，将发热装置利用周期性的通(ON)断(OFF)方式进行温度调节，使其产生周期性的变动，把深部温度作为目标温度开始加热。在发热装置处于OFF的状态下，通过风扇将内部的热气排出，使温度下降。于是就更加容易控制周期。

持续一段时间加温后，由于出汗和血管的扩张明显，妨碍了体温的上升。这时，为了把握人体的传热状态，可以任意变化发热装置的加温周期，通过FFT分析方法的处理求得皮肤温度的变化周期和深部温度的变化周期的传递函数。这个传递函数中的幅度或增益的绝对值决定最大周期为皮肤温度和深部温度的变化周期。调节发热装置的周期，使它和这一共振周期成为同周期且同相位或反相位。

一旦到达目标温度，将发热装置的周期的幅度，即表面温度或相位错开或重叠，调整到一定的状态。为了不使体温过度，想要控制热量的时候，控制发热装置的最大温度也是可以的。但是，有的时候体温会下降过度。此时，对于传递函数中的共振周期或皮肤温度变化周期，将发热装置的周期调节到与其相反的相位。在这个过程中，心搏数、血中溶氧浓度、血压等生命体信息如果偏离预先设定的允许值的话，要降低发热装置的加温周期的幅度，即一个周期中的最高温度。有的时候要让排气用的风扇最大限度地旋转使热气排放，同时送风到头部降低生命体信息的允许值。

本发明的效果：

本发明使用通过FFT分析得到的周期变化来定量地进行评估，能够认证从人体表面到深部最有效的热能传递条件。当然，个人差异是存在的，在加温中由于各人的自律体温维持机能的不同，体内的热传导率也会有很大的差异。但是，因为是以千分之一度单位来追踪观察被调节的体温的细微变化，所以，能够准确且高精确度地上升或调节体温。因此，可以减少为了控制热感觉和体温维持机能而使用的麻醉剂的量甚至不需要麻醉剂而进行加温。并且控制对心肺功能产生的负担以及防止烧伤的危险，进行最合适的加温。

附图说明

图1是本发明装置的连接示意图。

图2是未使用本发明前的数据显示图。

图3是本发明的操作流程图。

图4是使用本发明后的效果显示图。

图5是使用本发明后的效果显示图。

图号的说明：

1a～d发热装置

2a～e风扇

2f头部用风扇

3控制板

4a生命体信息测量方法

4b温度测量方法

5a～e温度传感器

6a心搏用传感器

6b血压测量方法

7舱

8电源

具体实施方式

以下是本发明的实施案例。图1是本发明装置的连接示意图。在人体平躺的床上设置发热装置1a～1b，下端设置发热装置1c～1d，周围用FRP等树脂材料制作的舱7围住。床使用尼龙等材料做成细网可是下方的红外线容易穿透。发热装置使用4张用炭纤维做成的一张定额为500W左右的远红外加热器，在供电的同时调节电量，通过调节热能的控制板3连接到电源8上面。为了不直接碰到加热器表面，所以设置了防护装置。在舱7的外墙上设置风扇2a～2e、甚至设置了人体能够出入的门。还有，在人体头部设置了可以吹到风的风扇2f。风扇2a～f是通过控制板3连接到电源8上面的。风扇以及发热装置也可以增减数量。

在被加温对象表层的皮肤温度，如胸部、腹部、鼠蹊部等，和被加温对象的深部温度，如直肠、食道、鼓膜等，还有舱内被加温对象周围的气温，以及本发明舱表面上设置热敏电阻等温度传感器5a～5e，通过将传感器的电气信号转换成温度信息的温度测量装置4b来测量温度。还有，在指尖上设置使用脉冲血氧计等的脉搏传感器6a，在手腕上设置气压式手腕血压计等血压测量仪器6b。检查心搏数、血氧浓度、血压等，并使用生命体信息测量仪器4a测量它们的数值。温度测量仪器4b和生命体信息测量仪器4a连接到带有能够进行FFT(快速傅立叶变换)分析处理功能的控制板3上，然后传送测量出来的数据。本发明在采用以上结构使用时进行如下操作。

实施案例

让人体睡在舱中并使其安静下来，用温度测量仪器4b测量未加温时的体温。通常，由于恒常性维持功能的原因，体温一般保持在36～37℃。它这种自律性调节通过一定的周期来维持。环境温度变化时，体温周期，即每周期所花的时间也发生变化，并作为体温调节的状态被显示出来。

被测量出来的体温读取到控制板3中进行FFT分析，然后设定它的周期。虽说周期会因人因环境产生较大的差异，但是，它是以表面几分钟，深部十几分钟的有序的周期为一个大致目标。另外，FFT是快速傅立叶变换的意思，指信号中含有怎样的频率成分，以及含有多少这种成分进行快速有效的计算处理法。这种方法是1965年被发明的。用单位Hz表示的频率的倒数就是正弦波一个周期所花的时间。

我们在流体力学的斯托克斯第二问题中了解到，热能的相位和流体能量相似，振动的能量的传递依存于它的周期和幅度。在附加的振动能量的周期和对象物的固有振动数相吻合的时候，由于共振现象其传递能量增大。于是，通过和皮肤温度同周期、同相位，把发热装置1a～1d进行通(ON)断(OFF)周期性加温。直肠温度开始随着皮肤温度迅速上升。

一般来说，体内的传热条件根据不同的环境因素发生较大的变化。皮肤表面对环境，即发热装置的温度变化反应敏锐。通过血管活动、出汗等方式使人体内部发热或蓄热，使得深部体温保持一定的温度。深部温度和皮肤温度相比热传递慢且不容易散热。所以，自律的体温调节周期也有变大的倾向。

这时把人体作为一个系统，皮肤的温度周期作为输入波形，深部温度变化的周期作为输出波形，求出体内热传递的传递函数。传递函数是信号传递系统的输入和输出之间关系的函数。它是把作为加温对象的传递系统的输入输出信号之间的幅度和相位的变化相对于频率表现出来的函数。

传递函数的幅度和增益的大小用纵轴表示，因为直肠温度相对于皮肤逐渐衰减，所以它的数值用负号。这时，可以看作是在传递函数中幅度或增益的绝对值具有最大限度的周期，皮肤温度变化和深部温度变化的共振频率数，即对皮肤振动地加入的热能有效地传递给了体内。

和这个周期同一时期，让发热装置的表面温度发生变化，并加温。在传递函数中幅度或增益的绝对值的波峰，即共振波峰出现多个的时候，选择和皮肤温度变化周期接近的时候进行加温。在加温的过程中如果共振频率发生了变化，模仿它的周期让加温周期也发生变化。在选择共振周期的时候，任意变化发热装置的加温周期。这种周期的变化被皮肤温度周期变化所表现出来的时候，以及被深部温度的周期变化表现出来的时候，求出此时它的应答时间。可以选择共振峰的周期，即接近于一周期所花的时间。

深部温度如果到达了所定的温度，依据各个体温变化的周期和幅度调节发热装置的周期、幅度和相位，以保持一定的温度。控制深部温度上升的时候，可以将发热装置的热量调到OFF。但是，有的时候也会出现温度过低，此时要维持发热装置的热量，把它的周期和传递函数的共振频率或皮肤温度变化的周期变成相反的相位。要让深部温度短时间内上升的话，就要将加温周期的幅度，即发热装置的温度调高。

加温中或是保持一定状态中，要设定一个不给人体带来负担的安全范围。快超过这个范围的时候，通过降低幅度或送风到头部来进行调节。安全范围是指，比如，以心搏数在每分钟150次以下，皮肤温度在43℃以下，血压和血氧饱和度和平时没有变化为标准，并根据被加温的人的身体状况仔细地进行设定。

图2是未使用本发明前的数据显示图，显示的是以40℃为深部温度目标，没有使用该发明的人体加温后的实际数据。图3是本发明的操作流程图，图4是使用本发明后的效果显示图和图5也是使用本发明后的效果显示图，显示了使用本发明给人体加温后得到的数据。另外，在图2、图4和图5中显示的加温中都是指在没有使用麻药的状态中的加温。鼓膜、直肠表示深部温度，胸部表示皮肤温度。还有，图2中的设定温度表示发热装置的表面温度。舱内指舱内气温，即人体附近的空气温度。

在没有使用该发明进行加温的图2中，加温初期由于出汗和呼吸变得急促使得抑制深部体温上升的自律功能开始启动。同时，由于血管的扩张使得血流增加，这引起了向体表外散热的能力增强，以及人体内部的热传递率下降，相当于深部温度的直肠温度也随之上升。此时，如果使发热装置或表面温度上升，皮肤温度过于上升，伴有烧伤的危险。所以，不能过急地将发热装置的温度调高。

超过1个小时之后逐渐升温，此时的心搏数变化为200次/分钟左右，可能会对心肺功能产生负担。经过2小时以上，直肠温度终于上升到了接近40℃这个对癌症治疗开始起效的温度范围，加温结束后，作为加热对象的被测试者陷入了重度中暑，2天之后仍会感到相当疲劳。

图4是使用本发明后得到的数据，在该图中，看不到像图2那样，加温开始初期出现的由深部体温的恒常性维持机能造成的一时的深部温度下降。根据体温的自律调节周期，发热装置产生任意且周期性的变动并开始加温。皮肤温度虽然出现周期性的变化但一直维持在安全范围内的43℃以下，直肠温度达到了39℃。心搏数处于对心肺功能的负担较小的每分钟130次以下。加温结束后，被测试者很快就恢复到了通常的身体状况。

图5中显示的是使用本发明并进一步提高了在发热装置加温周期里的幅度即表面温度时的数据。加温开始后的约30分钟内，以5分钟即约3.3mHz为一个加温周期，调节发热装置ON-OFF。30分钟后可以观察到心搏数一下子升高，因此要用风扇将舱内的热气在30秒内排出，接下来的80分钟内，以2分钟即约8.3mHz为一个加温周期进行加温。直到最终直肠温度达到约40℃。

此时，心搏数和血压、皮肤温度都持续保持在安全范围内，加温结束后图2中看到的中暑症状消失，第二天也没有任何疲劳感和倦怠感。温度变化的周期或幅度这些指标表示即使没有麻醉也能安全且定量地控制人体深部的体温。

利用于产业的可能性

全身温热疗法尽管对已经转移的进行性癌和C型肝炎、艾滋病等病毒性疾病具有治疗效果，但是，由于涉及到全身麻醉以及高体温下的安全管理要求医生具备熟练的医疗技术，所以一般难以普及。而该发明可以为您提供一种标准化且更为安全、简便的治疗癌症的全身温热治疗装置。

Claims (8)

1.一种体温控制装置，用于人体或动物的加温，通过发热装置直接或通过媒介间接地对加温对象进行加温，将加温对象的表面或内部加温到所指定的温度，或者使其维持一定温度，该装置是由加温用的发热装置、检测温度的温度测量仪器、对被测温度进行快速傅里叶变换(FFT)处理的分析仪器、调节发热装置的热量或温度的控制仪器，对加热对象周围进行排气的风扇组成。

2.根据权利要求1所述的体温控制装置，其特征在于，所述的控制仪器是使发热装置的温度按任意的幅度和周期进行变动，同时进行体温调节的控制装置。

3.根据权利要求2所述的体温控制装置，其特征在于，所述的控制仪器通过比较分析仪器得出的加温对象的温度变化周期和幅度，将发热装置的加温周期及其幅度调节至任意相位。

4.根据权利要求3所述的体温控制装置，其特征在于，所述的控制仪器用于调节发热装置的加温周期，在升高加温对象的温度时，所述的控制仪器将发热装置的加温周期调节到与加温对象的温度变化周期同周期、同相位；降低加热对象的温度时，将发热装置的加温周期调节到与加温对象的温度变化周期同周期、反相位。

5.根据权利要求4所述的体温控制装置，其特征在于，所述的控制仪器，根据分析仪器得出的加温对象的温度变化周期确定共振时发热装置的周期，使发热装置的加温周期与加温对象成为同周期、同相位或同周期、反相位。

6.根据权利要求5所述的体温控制装置，其特征在于，所述的加温对象是生物或者是人体的全身或局部，温度测量仪器测量包括胸部、腹部、鼠蹊部表层的皮肤温度，或者是测量加温对象内部的深部温度，包括直肠、食道、鼓膜；分析仪器求出皮肤温度的变化周期和深部温度的变化周期的传递函数，这个传递函数中的幅度或增益的绝对值决定最大周期为皮肤温度和深部温度的共振周期，通过控制控制仪器调节发热装置加温周期，使之与这个共振周期成为同周期、同相位或同周期、反相位。

7.根据权利要求6的所述的体温控制装置，其特征在于，所述的体温控制装置设有用于生命体信息测量的测量仪器，用于测量心搏数、血中溶氧浓度、血压、心电图，当生命体信息偏离预先设定的允许值，要降低发热装置加温周期的幅度，即在一个周期中的最高温度、或者将发热装置的加温周期调节到相对于传递函数的共振周期或皮肤温度周期的反相位。

8.根据权利要求7的所述的体温控制装置，其特征在于，所述体温控制装置在发热量的周期中，设置温度低的区域时，降低发热装置的发热量或归零，或者通过设置在人体周围的风扇排除被加热的空气，生命体信息一旦偏离预先设定的允许值，通过设置在人体头部周围的风扇进行送风降低生命体信息值。

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